史恩澤，陸 波

(國網(wǎng)東北分部綠源水力發(fā)電公司太平灣發(fā)電廠，遼寧 丹東 118000)

0 引言

自2000年以來，國內(nèi)一些水電廠為解決水輪發(fā)電機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)的壓力波動頻繁和以油為能源的操作閥門存在的油滲漏問題，相繼引進(jìn)了以色列某公司生產(chǎn)的水力自動控制閥，替代原有的依靠手動操作的壓力調(diào)節(jié)閥。該類型的閥門用水作為啟閉操作能源，水源取自機(jī)組的技術(shù)供水，自投入應(yīng)用以來，憑借其設(shè)計(jì)和制造工藝的獨(dú)特優(yōu)勢，加上其產(chǎn)品壽命長、維護(hù)工作量小，具有自動調(diào)整壓力和逆止閥的功能，可根據(jù)閥門上游來水壓力的變化，自動控制閥門的開度來穩(wěn)定下游水壓，在減輕運(yùn)維人員勞動強(qiáng)度等方面發(fā)揮了一定的作用。

很多水電站也將該設(shè)備的啟閉操作引入水輪發(fā)電機(jī)組自動運(yùn)行的流程中，機(jī)組接到自動開機(jī)指令，控制電磁閥發(fā)“開啟”指令，閥門自動開啟，技術(shù)供水投入。同理，當(dāng)機(jī)組接到自動停機(jī)指令，機(jī)組轉(zhuǎn)速降到0時(shí)，控制電磁閥發(fā)“關(guān)閉”指令，閥門自動關(guān)閉，技術(shù)供水中斷。

然而，近幾年來，該類型的閥門發(fā)生了幾起“偷關(guān)”事故，給運(yùn)行中的水輪發(fā)電機(jī)組帶來了安全隱患，也使技術(shù)人員對該產(chǎn)品的可靠性和安全性產(chǎn)生了質(zhì)疑。

針對東北地區(qū)某水電站發(fā)生的幾起水力自動控制閥“偷關(guān)”事故，分析“偷關(guān)”事故原因及危害，并提出相應(yīng)的運(yùn)維建議。

1 “偷關(guān)”事故

某水電站位于遼寧省寬甸滿族自治縣長甸鎮(zhèn)拉古哨村，電站廠區(qū)內(nèi)有兩座引水式廠房，其中A廠房內(nèi)安裝有1，2號水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量75 MW，1989年投產(chǎn)發(fā)電。B廠房內(nèi)安裝有3，4號水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量100 MW，2014年投產(chǎn)發(fā)電。

2001年，該電站將1, 2號機(jī)組的發(fā)電機(jī)冷卻水操作閥41DP和水導(dǎo)軸承潤滑水操作閥43DP, 44DP更換為以色列某公司生產(chǎn)的水力自動控制閥。

2014年6月，正在運(yùn)行中的2號機(jī)組發(fā)生了一起水力自動控制閥“偷關(guān)”事故，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)冷卻水中斷，當(dāng)時(shí)由于機(jī)組的保護(hù)裝置和報(bào)警裝置也存在一些問題，運(yùn)行人員未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，從而導(dǎo)致機(jī)組在沒有冷卻水的情況下繼續(xù)運(yùn)行近6 h后自動停機(jī)，造成發(fā)電機(jī)某些部件損壞，機(jī)組因搶修而退出備用。

事故發(fā)生后，為增強(qiáng)設(shè)備的可靠性，電廠接受了設(shè)備廠家代表的建議，對控制系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，控制啟閉的電磁閥由原單線圈雙穩(wěn)態(tài)電磁閥更換為雙線圈雙穩(wěn)態(tài)電磁閥。

2018年8月和2020年9月，該電站正在運(yùn)行中的1號機(jī)組又分別發(fā)生了水力自動控制閥“偷關(guān)”故障，這兩次故障由于運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)及時(shí)，并在短時(shí)間內(nèi)通過手動方式將水力自動控制閥打開，避免了事故的發(fā)生。

2 水力自動控制閥自動開關(guān)的原理

2.1 水力自動控制閥的主要結(jié)構(gòu)

水力自動控制閥由閥體和控制操作結(jié)構(gòu)組成。

(1) 閥體結(jié)構(gòu)。主要包括：閥體、閥桿、密封圓盤、隔離圓盤、固定導(dǎo)向盤、中心導(dǎo)向、橡膠隔膜、橡膠密封、排水孔、濾過器等。

(2) 控制操作結(jié)構(gòu)。主要包括：導(dǎo)閥(a)、針閥(a2)、三通Relay、手動三通(b)、啟閉電磁閥(c)、導(dǎo)水管等部件組成。其中，導(dǎo)閥的是作用是根據(jù)上游水位變化，通過控制閥體開度使其閥后壓力穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，導(dǎo)閥下部的針閥可調(diào)節(jié)閥門的開關(guān)速度。電磁閥的功能是接受開、停機(jī)指令，自動控制閥門的開啟和關(guān)閉。

2.2 水力自動控制閥的自動開關(guān)流程

關(guān)于水力自動控制閥自動開關(guān)的工作原理，國內(nèi)一些刊物已有詳細(xì)闡述，本電站原本采用的是單線圈雙穩(wěn)態(tài)電磁閥，其自動開關(guān)工作流程如圖1和圖2所示。將“手動三通”的旋鈕旋至“Auto”位置，使“手動三通”的下腔與電磁閥的兩孔相通，閥體的開關(guān)由電磁閥進(jìn)行控制，即自動控制。

圖1 水力自動控制閥自動開啟流程

圖2 水力自動控制閥自動關(guān)閉流程

(1) 閥體開啟過程是閥體隔膜上腔排水，路徑為：隔膜上腔水→閥門d3→導(dǎo)水管→導(dǎo)閥→三通Relay→導(dǎo)水管→閥門d2→下游，閥體隔膜被頂起，上腔水排出，閥體開啟。

(2) 閥體關(guān)閉過程是閥體隔膜上腔注水，路徑為：上游壓力水→閥門d1→導(dǎo)閥→導(dǎo)水管→閥門d3→閥體隔膜上腔，閥體隔膜被壓下，與彈簧共同作用，閥體關(guān)閉。

在整個(gè)控制過程中，“三通Relay”起到了十分重要的作用，由閥體、活塞、上腔、下腔、側(cè)腔等組成，其活塞所處位置決定水力自動控制閥的開啟和關(guān)閉。當(dāng)活塞處于上腔位置時(shí)，側(cè)腔打開，閥體處于開啟狀態(tài)；活塞處于下腔位置時(shí)，側(cè)腔關(guān)閉，閥體處于關(guān)閉狀態(tài)。而自動狀態(tài)下，三通Relay的活塞位置由電磁閥控制。

雙線圈雙穩(wěn)態(tài)電磁閥的控制原理與單線圈雙穩(wěn)態(tài)電磁閥的控制原理相似，只是電磁閥增為兩個(gè)，一個(gè)控制開啟，一個(gè)控制關(guān)閉。

3 水力自動控制閥的故障類型及分析

根據(jù)水力自動控制閥的工作原理和對國內(nèi)一些使用單位的了解，運(yùn)行中的水力自動控制閥的故障類型包括：不能開啟；不能關(guān)閉；無指令條件下自動開啟(“偷開”)；無指令條件下自動關(guān)閉(“偷關(guān)”)。

3.1 控制閥“不能開啟”或“不能關(guān)閉”

水力自動控制閥“不能開啟”或“不能關(guān)閉”是由控制系統(tǒng)管路堵塞、接頭漏水或隔膜破損所致，這些缺陷使控制系統(tǒng)無法形成滿足閥門開啟或關(guān)閉所需要的閥體上、下腔之間的壓差。

3.2 控制閥“偷開”

水力自動控制閥“偷開”是由于閥門d3至導(dǎo)閥之間的管路有破損、接頭損壞、滲漏或控制開啟的電磁閥關(guān)閉不嚴(yán)而漏水等原因?qū)е拢沟萌≧elay活塞移動至上腔位置，側(cè)腔打開，閥體上腔的壓力水排出。

3.3 控制閥“偷關(guān)”

水力自動控制閥“偷關(guān)”是因?yàn)樗ψ詣涌刂崎y關(guān)閉需要將三通Relay活塞壓入下部，其側(cè)腔處于封閉斷水狀態(tài)，上游壓力水經(jīng)過閥門d1、導(dǎo)閥、導(dǎo)水管、閥門d3至閥體隔膜上腔，壓下閥體的隔膜，閥體關(guān)閉。如果控制關(guān)閉的電磁閥存在關(guān)閉不嚴(yán)而漏水的缺陷，當(dāng)漏水量的壓力積累到關(guān)閥所需壓力臨界值時(shí)，壓力水會將三通Relay活塞壓入下腔，此狀況下水力自動控制閥會被“偷偷地”關(guān)閉。

電磁閥漏水是由于控制系統(tǒng)通路內(nèi)的水中含有雜質(zhì)，雜質(zhì)可能是控制系統(tǒng)取水源的濾過器質(zhì)量問題，導(dǎo)致雜質(zhì)進(jìn)入控制通路，也可能是控制管路內(nèi)結(jié)垢造成的，雜質(zhì)卡到電磁閥閥芯處，導(dǎo)致控制關(guān)閉的電磁閥封水不嚴(yán)密，漏水的壓力逐步積累，在無任何預(yù)知的情況下，將三通Relay活塞壓入下腔位置，“偷偷地”將水力自動控制閥關(guān)閉，2014年6月那次“偷關(guān)”事故，就是由于控制系統(tǒng)的管路結(jié)垢所致。

理論上講三通Relay活塞處于下腔位置，閥體就會關(guān)閉，但從結(jié)構(gòu)上講，其上腔沒有壓力水，活塞不會自動滑到下腔位置，其壓力僅來自電磁閥，故判斷水力自動控制閥“偷關(guān)”的主要原因是電磁閥關(guān)閉不嚴(yán)。

4 水力自動控制閥“偷關(guān)”特點(diǎn)及危害

4.1 “偷關(guān)”特點(diǎn)

根據(jù)上述分析可知，水力自動控制閥“偷關(guān)”的原因是由于有雜物或垢物卡在電磁閥的閥芯處使其關(guān)閉不嚴(yán)，漏水量積累到關(guān)閉閥體壓力臨界值時(shí)，會將三通Relay的活塞置于下腔位置，導(dǎo)致閥體關(guān)閉。當(dāng)下一次開啟時(shí)，閥芯下面的雜質(zhì)會被水流沖走，“偷關(guān)”問題就會自動消失。因此，水力自動控制閥的“偷關(guān)”缺陷具有一定的偶發(fā)性，發(fā)生之前沒有任何預(yù)兆，下一次開啟后會自動消失。

4.2 “偷關(guān)”故障危害

水力自動控制閥的“偷關(guān)”問題，對水輪發(fā)電機(jī)組危害極大，它會使正在運(yùn)行中的水輪發(fā)電機(jī)組冷卻水或潤滑水中斷，如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，會使機(jī)組溫度迅速升高，對推力軸承部件(推力瓦、鏡板、油瓦測溫元件等)、導(dǎo)軸承部件(導(dǎo)軸瓦、油瓦測溫元件等)和主軸等摩擦部件損壞，并對發(fā)電機(jī)定子(定子線棒、銅環(huán)、測溫元件、絕緣盒等)和轉(zhuǎn)子(磁極線圈、極間連接線)的絕緣材料造成破壞，同時(shí)還可能導(dǎo)致事故停機(jī)，對電網(wǎng)造成一定的影響，危害極大。2014年6月發(fā)生的一起“偷關(guān)”故障最后導(dǎo)致定子和轉(zhuǎn)子絕緣受損，最終引發(fā)發(fā)電機(jī)出口開關(guān)跳閘，機(jī)組因過速而發(fā)生事故停機(jī)。

對于控制閥“不能開啟”的故障，一般在機(jī)組投入運(yùn)行前能夠發(fā)現(xiàn)，不會造成事故；對于控制閥“不能關(guān)閉”和“偷開”的故障，會使機(jī)組停機(jī)狀態(tài)下技術(shù)供水仍然投入，也不會引發(fā)機(jī)組安全問題。因此，預(yù)防這類控制閥“偷關(guān)”問題，是安全防范的重中之重。

5 水力自動控制閥運(yùn)維建議

(1) 水力自動控制閥閥體本身一般不會損壞，只要在機(jī)組大修時(shí)進(jìn)行分解檢查即可避免，同時(shí)應(yīng)定期更換橡膠密封。

(2) 橡膠隔膜一旦發(fā)生破損，會導(dǎo)致閥門本身無法開啟或關(guān)閉，應(yīng)在檢修時(shí)進(jìn)行檢查，并定期實(shí)施更換。

(3) 導(dǎo)閥、電磁閥、手動三通、三通Relay等部件因使用了優(yōu)質(zhì)材料，一般不易損壞，也不易結(jié)垢，只要在機(jī)組檢修時(shí)進(jìn)行清洗即可，同時(shí)設(shè)備管理單位應(yīng)存有少量備品。

(4) 要加強(qiáng)對控制系統(tǒng)中的管路和濾過器的檢查和清洗，防止結(jié)垢或雜質(zhì)進(jìn)入，并定期更換，同時(shí)建議在控制管路前加裝外置精密濾過器，從而最大限度地防止雜質(zhì)進(jìn)入，降低事故風(fēng)險(xiǎn)。

(5) 巡回檢查過程中要注意加強(qiáng)對密封接頭的檢查，防止發(fā)生“偷開”和“開不啟”故障。

6 水電站機(jī)組技術(shù)供水建議

因水力自動控制閥的啟閉操作能源是取自水電站機(jī)組的技術(shù)供水，決定了操作能源不能像油那樣雜質(zhì)度低，即使加裝再精細(xì)的過濾器，也不能完全確保微小雜質(zhì)不進(jìn)入控制管路中，不如用電作操作源可靠。如果不能徹底解決電磁閥漏水問題，“偷關(guān)”故障就不能完全避免。

為了提高水電站機(jī)組技術(shù)供水的可靠性，提出相關(guān)改進(jìn)建議，即：取消機(jī)組自動啟停流程中與水力自動控制閥通斷的關(guān)聯(lián)功能，該閥設(shè)置在手動常開狀態(tài)，在其后端加裝電動閥(蝶閥或球閥)，電動閥的開啟和關(guān)閉加入機(jī)組自動啟停流程中，替代水力自動控制閥，用于機(jī)組冷卻水和潤滑水的投入和退出。這樣既保留了水力自動控制閥自動調(diào)壓等優(yōu)點(diǎn)，又能通過電動閥保證技術(shù)供水通斷的可靠性。

該電站B廠房內(nèi)3，4號機(jī)組就采用的是減壓閥后面加裝電動蝶閥的設(shè)計(jì)，減壓閥常開，電動閥開啟引入機(jī)組自動啟停流程，自2014年投產(chǎn)以來，運(yùn)行狀況良好，從未發(fā)生任何影響機(jī)組運(yùn)行的安全問題。

7 結(jié)束語

以色列某公司生產(chǎn)的水力自動控制閥使用壽命長、維護(hù)工作量小、自動調(diào)壓可靠性高，可減輕運(yùn)維人員勞動強(qiáng)度，適應(yīng)工作水頭變化大且頻繁的中高水頭水電站。但該產(chǎn)品受技術(shù)供水用作操作能源的局限，無法徹底解決自動控制電磁閥的漏水問題，盡管水力自動控制閥的“偷關(guān)”事故的頻率極低，但發(fā)生后危害極大，不僅是對機(jī)組本身的影響，還會對電網(wǎng)造成一定的沖擊，機(jī)組本身的容量越大，對電網(wǎng)的沖擊也越大。

因此，對于已使用水力自動控制閥的水電站，不建議將對其啟閉操作引入機(jī)組自動啟停流程中，但要利用其自動調(diào)壓等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行科學(xué)的維護(hù)管理，避免“偷關(guān)”事故的發(fā)生。